电感的本质是什么

什么是电感?

电感器件一般是指螺线圈,由导线圈一圈靠一圈地绕在绝缘管上,绝缘管可以是空心的,也可以包含铁芯或磁粉芯。

为什么把’线’绕成’圈’就是电感?

电感的工作原理非常抽象,为了解释什么是电感,我们先从基本的物理现象看起。

一、两个现象和一个定律——电生磁、磁生电和楞次定律

1. 电生磁现象

通电直导线产生的磁场方向:右手握住通电直导线,大拇指指向电流方向,四指指向就是磁感线的环绕方向。

通电螺线圈产生的磁场方向:右手四指顺电流方向,大拇指指向螺线管N极,螺线管外磁力方向由N极指向S极。

奥斯特实验:磁针放在通电导线下方,磁针会发生转动。

2. 磁生电现象

法拉第实验:闭合电路的一部分导体做切割磁场运动时,在导体上你就会产生电。前提条件是电路、磁场是在相对变化的环境中,所以称为动生感应电动势,产生的电流叫做感应电流。

我们可以拿一个马达做实验,一般普通的直流有刷马达,定子部分是永磁体,转子部分是线圈导体。手动旋转转子,意味着导体在做切割磁感线运动,用示波器连接马达两个电极,可以测量到电压变化。发电机便是依据此原理制成的。

3. 楞次定律

楞次定律:因磁通量的改变而产生的感应电流,其电流方向为对抗磁通量改变的方向。简单理解就是:当导体所处外部磁场变强的时候,它的感应电流产生的磁场与外部磁场效果相反,使得整体来看总磁场比外部磁场更弱。当导体所处外部磁场变弱的时候,它的感应电流产生的磁场与外部磁场效果相反,使得整体来看总磁场比外部磁场更强。

通过楞次定律,可以判断感应电流的方向。

二、螺线管线圈——解释电感的工作方式

最简单的电感就是螺线管线圈:

 在通电过程中,我们截取其中一小段,可以看到两个线圈,线圈A和线圈B:

通电过程中情况如下:

  1. 线圈A通过电流,假设其方向如蓝色实现所示,称为外部激励电流;
  2. 根据电生磁原理,外部激励电流产生磁场,磁场开始在周围空间蔓延并覆盖至线圈B,相当于线圈B在切割磁力线,如蓝色虚线所示;
  3. 根据磁生电原理,线圈B上产生感应电流,其方向如绿色实现所示,方向与外部激励电流方向相反;
  4. 根据楞次定律,感应电流产生的磁场,是为了对抗外部激励电流的磁场,故如绿色虚线所示;

通电稳定后情况如下(直流):在通电稳定后,线圈A的外部激励电流恒定,其产生的磁场也恒定,该磁场与线圈B没有相对运动,故没有磁生电,没有绿色实现所代表的电流。此时电感对于外部激励来说,相当于短路。

通电断开时情况如下:在通电断开时,电感线圈中的电流要减小,电流的磁场要减弱(磁通量减少)根据楞次定律,线圈中磁通量减小所引起的的感应电流的磁场要与原方向相同(阻碍磁通量减小),所以感应电流方向与原电流方向相同。

三、电感的特性——电流不能突变

在理解了电感的工作方式之后,我们再来看电感最重要的特性——电杆上的电流不能突变。

 上图右侧横坐标时间,纵坐标电感上的电流。以开关闭合的瞬间作为时间原点,可以看到:

  1. 在开关闭合的瞬间,电感上的电流为0A,相当于电感开路,这是因为瞬间的电流急剧变化,会产生巨大的感应电流(绿色)来抵抗外部激励电流(蓝色);
  2. 在达到稳态过程中,电感上的电流大小按指数规律变化;
  3. 在达到稳态后,电感上的电流I=E/R,相当于电感短路;
  4. 与感应电流向呼应的是感应电动势,它的作用是对抗E,所以称为Back EMF(反向电动势);

四、到底什么是电感?

电感是用于描述器件对电流变化的能力,如果对抗电流变化的能力越强,那么电感的感性越大,反之越小。

对于直流激励来说,最终电感呈现为短路状态(电压为0),但在通电过程中,电压和电流不为0,意味着有功率,累积这些能量的过程就是充电,它以磁场的方式存储起这些能量,在需要的时候(如外部激励不能维持稳态情况下的电流太小)释放能量。

电感是电磁领域的惯性器件,惯性器件都不喜欢变化,就像动力学里面的飞轮,一开始很难转起来,一旦转起来又很难停下来,期间都伴随着能量转换。

感抗:当电感接入交流电时,电感内部产生的感应电动势对定向移动的电荷具有阻碍作用,这种阻碍作用会影响电路的电压和电流的相位关系。感抗X_{L}越大,表示电感对交流电的阻碍作用越强,电感内部的感应电动势越大,电感器的电压与电流的相位差越大。

X_{L}=\omega L=2\pi fL

频率越高,感抗越大,感应电动势越大。

电感基础1——为什么把‘线’绕成‘圈’就是电感?什么是电感?

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